KR100928065B1 - 세척기술과 전기역학적 정화기술을 결합한 중금속 오염 토양의 정화 방법 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 중금속으로 오염된 토양을 1차 선별과정을 통해 협잡물을 제거하고, 협잡물에 제거된 오염토양 전체를 토양세척으로 1차 처리를 한다. 이 때 1차 처리를 마쳐도 미세토양에서는 중금속 제거가 거의 일어나지 않기 때문에, 전기역학적 정화기술의 장점을 이용하여 점토질에서 중금속물질을 제거함으로써 오염토양처리에서 폐기물의 발생을 최소화하여 처리하고자 하는 방법에 관한 것이다.
중금속, 오염, 토양정화, 전기역학적 정화, 토양세척

Description

세척기술과 전기역학적 정화기술을 결합한 중금속 오염 토양의 정화 방법 {Remediation Technique to Remove Heavy Metals from Soil using Soil Washing Combined with Electrokinetics}
본 발명은 중금속으로 오염된 토양을 1차 선별과정을 통해 협잡물을 제거하고, 협잡물이 제거된 오염토양 전체를 토양세척으로 1차 처리를 한다. 이 때 1차 처리를 마쳐도 미세토양에서는 중금속 제거가 거의 일어나지 않기 때문에, 전기역학적 정화기술의 장점을 이용하여 점토질에서 중금속물질을 제거함으로써 오염토양처리에서 폐기물의 발생을 최소화하여 처리하고자 하는 방법에 관한 것이다.
토양환경에 대한 관심이 전 세계적으로 고조되고 있다. 또한, 국내에서도 대규모 토양오염정화사업이 진행되면서 기술력과 경험이 축적되고 있다. 1996년 토양환경보전법이 발효되고 20년이 지나면서, 지난 20년 동안은 대부분 유류오염 토양의 처리에 관심을 기울여 왔다. 이는 냄새 및 육안으로 오염상황을 비교적 쉽게 확인할 수 있기 때문으로 사료된다. 비교적 오염상황을 쉽게 인지할 수 있는 유류오 염과는 달리 중금속 오염은 장기간에 걸쳐 인류의 건강을 위협하고 있다. 특히 전국에 산재해 있는 휴폐광산 주변의 농경지는 심각하게 오염되어 있으며, 산업단지의 중금속 오염도 심각한 상황이다. 중금속으로 오염된 토양은 일반적으로 토양 세척법, 고형화안정화법, 전기역학적 정화법으로 처리하고 있다.
전세계적으로는 고형화안정화법이 가장 많이 사용되고 있다. 그러나, 고형화안정화법을 적용하면 처리된 토양은 폐기물로 바뀌기 때문에 더 이상 토양으로서의 기능을 상실하게 된다. 또한 아연과 니켈과 같은 중금속은 현재 토양오염공정시험방법에 의해 전함량 분석법으로 분석하여 규제하고 있으며, 다른 중금속도 전함량 분석법으로 분석방법이 변경될 예정이다. 따라서 고형화안정화법을 적용하여 처리하더라도 전체 농도가 감소하는 것이 아니기 때문에 법적인 규제를 만족하지 못하는 경우도 발생한다.
토양 세척법은 세척제를 사용하여 고상에 흡착되어 있던 오염물질을 액상으로 이동시켜 제거하는 방식이다. 비교적 장치가 간단하고 처리속도도 빨라 각광받고 있다. 토양세척에서는 계면활성제, 산성이나 알칼리 용액을 토양과 혼합하여 토양으로 탈착시켜 수용액 상으로 가져오는 방법이다. 그러나, 점토질이 많이 포함된 오염토양의 경우 처리효율이 낮은 단점이 있다. 점토질이 많이 함유된 오염토양을 토양 세척법을 이용하여 처리하면, 미세토양은 처리가 거의 되지 않아 폐기물로 별도의 처리과정을 거쳐야 한다. 토양 세척법은 다양한 단위공정들이 결합되어 있는 공정인데, 이 단위공정 중에서 입도를 분리하여 사질토와 미세토로 나누는 과정이 가장 중요하다.
전기역학적 정화기술은 전기역학적 방법에 의해 오염물질을 전기삼투, 전기이동, 전기영동의 기작에 의해 이동시켜 제거하는 방법이다. 전기역학적 정화기술은 중금속의 제거에 가장 효과적인 것으로 알려져 있다. 전기역학적 정화기술은 특히 투수계수가 매우 낮은 점토질 토양에서도 효과적으로 오염물질을 이동시켜 제거할 수 있는 장점이 있다.
본 발명은 중금속으로 오염된 토양을 1차 선별과정을 통해 협작물을 제거하고, 협작물에 제거된 오염토양 전체를 토양세척으로 1차 처리를 함에 있어서, 1차 처리를 마쳐도 미세토양에서는 중금속 제거가 거의 일어나지 않기 때문에, 전기역학적 정화기술의 장점을 이용하여 점토질에서 중금속물질을 제거함으로써 오염토양처리에서 폐기물의 발생을 최소화하여 처리하고자 하는데 그 목적이 있다.
본 발명은 상기 목적을 달성하기 위해서 중금속(Cu, Pb, Cd, Ni, Zn, As, Cr, Hg)로 오염된 토양을 체분리 또는 습식입도분리장치에 의해 1차 분리선별을 하고, 분리선별된 토양을 토양 세척법으로 처리하였으며, 이후 입도분리장치를 통해 사질토와 미세 토양으로 구별하고, 토양 세척법으로 정화되지 않은 미세토양을 전기역학적 기술을 이용하여 정화시키는 방법을 제공하는 것이다.
또한, 본 발명은 Cu, Pb, Cd, Ni, Zn, As, Cr, Hg와 같은 중금속으로 오염된 토양을 1차 선별한후, 토양세척공정으로 1차 처리를 하고 이후 2차 선별분리를 통해 처리된 사질토와 처리가 되지 않은 미세토양으로 분리하며, 처리가 되지 않은 미세토양은 전기역학적 정화 기술을 이용하여 정화시키는 방법을 제공하는 것이다.
본 발명은 Cu, Pb, Cd, Ni, Zn, As, Cr, Hg와 같은 중금속으로 오염됨 토양을 정화하는 데에 있어, 토양세척방법이 가지고 있는 사질토에서의 처리 효율을 극대화하고, 전기역학적 정화 방법이 가지고 있는 미세토양의 처리를 가능하게 하는 이점이 있다.
토양세척 과정에서 일반적으로 산(염산, 질산, 황산, 인산) 또는 알칼리 (수산화나트륨, 수산화칼륨, 수산화칼슘)을 사용하는데 산이나 알칼리 용액을 사용하여 중금속 오염토양을 세척하면, 토양에 존재하는 중금속을 탈착이 용이한 형태로 변화된다. 일반적으로 토양에 존재하는 중금속의 형태는 5단계로 구분하는 데, 교환태(1단계), 탄산태(2단계), 산화철 또는 산화망간에 흡착된 형태(3단계), 유기물과 결합되어 있거나 황과 결합된 형태 (4단계), 잔류태(5단계)로 구성된다(인용문헌, Tessier et al., 1979). 1단계에서 5단계로 갈수록 토양과의 결합력이 강하여 탈착이 어렵고 따라서 제거하기가 어렵다. 그러나 토양세척 단계에서 산이나 알칼리를 세척제로 사용하면, 산과 알칼리의 작용으로 인하여 4단계 또는 5단계로 존재하던 중금속이 3단계 이하로 이동하게 된다.
본 발명은 중금속으로 오염된 미세토양을 포함한 토양을 정화시키는 방법으로서, 중금속으로 오염된 토양을 1차 선별한 후, 질산, 염산, 황산, 인산 및 이들의 혼합물로 이루어진 군으로부터 선택된 산; 수산화나트륨, 수산화칼륨, 수산화칼슘, 수산화마그네슘 및 이들의 혼합물로 이루어진 군으로부터 선택된 알칼리; 또는 아세트산, 시트릭산, 이디티에이(EDTA) 및 이들의 혼합물로 이루어진 군으로부터 선택된 유기산을 함유한 수용액 또는 물로 토양 세척법에 의해서 세척하여, 4단계 또는 5단계 형태로 존재하는 중금속을 4단계 이하의 형태로 변화시키면서 1단계 내지 3단계 형태로 존재하는 중금속은 제거하는 단계; 토양 세척법으로 처리된 토양을 입도분리하여 처리된 사질토양과 0.075 mm 이하의 정화되지 않은 미세토양으로 분리하는 단계; 토양 세척법으로 정화되지 않은 분리된 미세토양을 양쪽 단부에 양극이 있는 양극실과 음극이 있는 음극실이 각각 구비되어 있는 용기에 넣는 단계; 염화나트륨, 염화칼륨, 질산나트륨, 황산나트륨, 황산마그네슘, 수산화나트륨, 염화칼슘, 질산칼륨, 황산칼륨 및 이들의 혼합물로 이루어진 군으로부터 선택된 전해질이 함유된 용액을 음극실과 양극실에 공급하는 단계; 오염된 미세토양의 pH 조절을 위해 질산, 염산, 황산, 인산 및 이들의 혼합물로 이루어진 군으로부터 선택된 강산, 또는 수산화칼슘, 수산화나트륨, 탄산나트륨, 탄산칼륨, 수산화칼륨 및 이들의 혼합물로 이루어진 군으로부터 선택된 강염기, 또는 아세트산, 구연산, 이디티에이(EDTA) 및 이들의 혼합물로 이루어진 군으로부터 선택된 유기산, 및 계면활성제를 전해질이 함유된 용액에 첨가하는 단계; 및 전류밀도가 0.1 mA/cm2 내지 10 mA/cm2이거나 전압경사가 0.1 내지 10V/cm가 되도록 상기 전극에 전류를 공급하면서, 양극실에 공급된 세척액과 전해질이 미세토양을 통해서 음극실 전기장에 의해 이동되게 하는 단계를 포함하여, 중금속으로 오염된 미세토양을 포함한 토양을 정화시키는 방법을 제공한다.
본 발명의 방법에서 사용되는 전해질은 바람직하게는 MgSO4, NaOH, NaCl 또는 NaNO3이다.
본 발명의 방법에서 토양 세척법은 본 기술분야에서 통상적으로 이용되고 있는 토양 세척법이다. 이러한 토양 세척법에 사용되는 계면활성제는 바람직하게는 음이온 계면 활성제인 나트륨 도데실 설페이트(SDS: Sodium dodecyl sulfate), 나트륨 도데실 벤젠 설포네이트(SDBS: Sodium dodecyl benzene sulfonate) 및 이들의 혼합물로 이루어진 군으로부터 선택된 계면활성제이며 이들은 임계 마이셀 농도 이상의 수용액으로 사용된다. 또한 바람직하게는, 중금속 용이한 제거를 위해 구연산(citric acid), 아세트산(acetic acid), 옥살산(oxalic acid), 이디티에이(EDTA) 및 이들의 혼합물로 이루어진 군으로부터 선택된 유기산, HNO3, HCl, H2SO4, NaOH, KOH 및 이들의 혼합물로 이루어진 군으로부터 선택된 강산 또는 강 염기가 사용된다. 일반적으로 Cd, Cu, Pb, Co, Ni, Zn와 같은 양이온성 중금속을 제거하기 위해서는 산성 조건이 As나 Cr(VI)와 같은 음이온성 중금속을 제거하기 위해서는 염기성 조건이 선호된다.
본 발명에서는 산이나 알칼리를 사용하여 점토질 토양에 존재하는 중금속을 탈착이 용이한 형태로 변화시킨다.
토양중에 존재하는 중금속 오염물의 형태는 5단계로 구분되는데, 교환태(1단계), 탄산태(2단계), 산화철 또는 산화망간에 흡착된 형태(3단계), 유기물과 결합되어 있거나 황과 결합된 형태 (4단계), 및 잔류태(5단계)로 구분된다.
교환태(1단계)는 토양에 약하게 흡착되어 있어 쉽게 용액중으로 탈착될 수 있는 형태이다. 중금속은 일반적으로 양이온이기 때문에 음전하를 띠고 있는 토양과 약한 정전기적 인력으로 흡착되어 있다. 토양 표면 전하가 영구치환 또는 pH 등에 의해 전기적 이중층을 띠게 되는데, 이 전기적 이중층에서 확산 이중층에 존재하는 중금속이 교환태가 된다.
탄산태(2단계)는 탄산과 결합되어 있는 형태의 중금속이다. 탄산과 결합되어 있는 중금속은 약산성 또는 약알칼리성에서는 탄산과의 침전형태를 유지하나 pH가 좀더 낮아져서 산성이 강해지거나 높아져서 알칼리성이 강해지면 용해되어 용액중으로 배출되는 형태이다. 따라서 pH 변화에 의해 용이하게 제거할 수 있는 중금속 형태이다.
산화철 또는 산화망간에 흡착되어 있는 형태(3단계)의 중금속은 산소와 결합된 철이나 망간이 전하를 띠고 있고 이들 표면에 흡착되어 있다. 특히 납의 경우, 산화철과 결합하여 비교적 안정한 형태의 침전물을 형성할 수 있다. 비소도 산화철 표면에 강하게 결합할 수 있다. 이렇게 흡착된 중금속은 pH의 변화에 따라 일부 탈착 시킬 수 도 있으나 탄산태와 비교할 때 그 결합에너지가 크기 때문에 제거하기가 용이하지는 않다. 그러나 강산 또는 강염기 조건에서는 이러한 형태로 존재하는 중금속의 대부분을 탈착시킬 수 있는 것으로 알려져 있다.
유기물과 결합되어 있거나 황과 결합된 형태의 중금속(4단계)은 표현 그대로 유기물과 결합되어 있거나 환원된 형태의 황과 결합되어 있는 형태의 중금속을 말한다. 이러한 형태로 중금속이 존재하면 pH가 강산이나 강 알칼리가 되어도 용해도 의 차이가 크지 않아 토양에서 제거하기가 매우 어렵다.
잔류태(5단계)는 가장 강력하게 토양과 결합하고 있는 중금속 형태로 토양의 구조 속에 중금속이 완전히 들어가서 토양의 일부가 되었기 때문에 토양구조를 파괴하지 않고서는 중금속을 제거할 수 없는 그런 형태이다.
1단계에서 5단계로 갈수록 토양과의 결합력이 강하여 탈착이 어렵고 따라서 제거하기가 어렵다. 일반적으로 토양세척공정에서는 1단계에서 3단계까지의 중금속 존재형태는 제거할 수 있으나, 4단계 또는 5단계 형태로 존재하는 중금속은 제거하기가 어렵다. (참고문헌, Journal of Hazardous Materials, Ko et al., 2005). 그러나 전기역학적 정화에서는 5단계 형태로 존재하는 중금속은 제거하기가 어려워도 4단계까지는 처리할 수 있는 것으로 알려져 있다.(참고문헌, Chemosphere, Zhou et al., 2005). 그러나, 토양세척 단계에서 산이나 알칼리를 세척제로 사용하면, 산과 알칼리의 작용으로 인하여 5단계에 존재하던 중금속이 3단계 또는 4단계로 또한 4단계에 존재하던 중금속이 3단계나 그 이하로 이동한다.
본 발명의 방법에서 이용되고 있는 전기역학적 정화기술에서 전류밀도는 0.1 mA/cm2 내지 10 mA/cm2일 수 있으며, 이러한 전류밀도는 0.1 mA/cm2 미만인 경우 중금속의 제거효율이 낮아져 바람직하지 않으며 10 mA/cm2를 초과하는 경우에는 안전성 및 경제성이 좋지 않아 바람직하지 않다. 유사하게, 동전기 기술에서의 전압경사는 0.1 내지 10V/cm가 바람직하다.
<실시예>
사용된 오염토양
본 실시예에서 사용된 오염토양은 영덕의 폐광산 인근의 논에서 채취하였다. 채취된 토양을 1차 선별을 2 mm 이하의 것만 실험에 사용하였다. 토양세척은 0.1 N HCl을 사용하여 진행하였다. 물과 토양의 비율은 1:5였다. 토성을 분석한 결과 점토의 함량이 57%였다. 토양세척실험후, 입도분리를 통해 0.075 mm 이상의 토양은 사질토양으로 제거율이 중금속마다 조금씩 차이가 있으나 80% 이상으로 나타났다. 토양세척 전후 전체 토양에서의 중금속 존재 형태 변화를 살펴보았다. 이 결과를 도 2와 도3에 도시하였다. 도 2에서는 납의 존재형태 변화를, 도 3에서는 카드뮴의 존재형태변화를 보여주고 있다. 납과 카드뮴 모두 제 4단계 형태로 존재하던 중금속이 제 3단계 형태와 제 2단계 일부로 이동한 것으로 볼 수 있다.
산으로 세척한 0.075mm 이하의 미세토양을 전기역학적 정화 실험에 사용하였으며, 이 미세 토양은 일반적인 세척공정으로는 더 이상 처리하기가 어려운 형태인 진흙이었다. 이 토양을 토양오염공정시험방법에 의해 중금속분석을 수행한 결과 카드뮴: 5.3mg/kg, 납 : 228mg/kg, 구리 : 458mg/kg, 니켈 : 144mg/kg, 아연: 2892mg/kg이였다.
실시에 사용된 장치
전기역학적 정화 실험에 사용된 시스템은 도 4과 같다. 점토의 일반적인 표면전하가 음전하를 띠기 때문에 양극에 전해질을 공급하여 주었으며, 음극에서는 토양의 pH를 산성으로 유지하기 위하여 산을 공급하여 주었다. 공급된 전해질과 세 척액에서 양이온은 음극으로 음이온은 양극으로 이동하도록 하였다. 세척액으로는 수돗물, 0.1 M 질산, 0.1 M 염산, 0.1 M 황산, 0.1 M 구연산, 0.1 M 나트륨 도데실 설페이트(SDS)을 사용하였다. 전해질로는 0.1 M MgSO4 용액을 사용하였다. 도 3에서 보는 바와 같이 전극 사이의 거리는 20cm였고, 전압경사는 1 V/cm로 하여 실험을 진행하였다. 실험 완료후 반응기 내의 토양을 10등분하여 각각의 토양을 토양오염공정시험방법에 의하여 중금속 농도 분석을 수행하였다.
일반적으로 토양의 pH가 감소하면 토양 표면에서 수소이온의 흡착으로 인하여 양전하를 띠기 때문에 전기삼투량이 점차 감소하여 결국에는 방향이 반대로 바뀌게 된다. 동전기정화에서 중금속의 제거는 전기이동과 전기삼투에 의해서 발생한다. 전기삼투의 방향이 낮은 pH로 인해 바뀌게 되면 전기이동과 전기삼투의 방향이 반대가 되어 전체적인 제거율의 감소를 가져올 수 있다. 그러나 중금속의 제거에서 전기이동이 더 중요한 역할을 하기 때문에 전기이동이 가능한 형태로 중금속을 유지하기 위하여 낮은 pH로 토양의 환경을 조성해 주는 것이 유리하다. 각각의 실험 조건을 아래 표 1에 정리하였다.
[표 1] 실시예 조건
실시예 번호 전해질 세척제
실험 1 0.1 M MgSO4
실험 2 0.1 M 질산
실험 3 0.1 M 황산
실험 4 0.1 M 염산
실험 5 0.1 M 구연산
실험 6 0.1 M SDS
결과
도 5, 도 6, 도 7, 도 8과 도 9에 중금속 제거율을 도시하였다. 도 5에서 보는 것과 같이 실험 1 내지 실험 5에서 카드뮴의 농도는 양극으로부터 상대적인 거리가 멀어질수록 농도가 증가하는 경향을 나타내었다. 중금속의 경우 세척제에 의해 토양으로부터 탈착되어 전기이동 및 전기삼투에 의해 음극방향으로 이동하여 제거되기 때문이다. 세척제로 강산을 사용한 실험 2 내지 실험 4의 경우 평균 약 70-80%의 매우 높은 제거율을 나타내었다. 상대적으로 약산인 구연산을 세척제로 사용한 실험 5의 경우 이보다 제거율이 낮았으며 평균 약 60%의 제거율을 나타내었다. 음이온 계면활성제를 사용한 실험 6 에서는 수돗물을 사용한 경우보다는 제거율이 높았으나 다른 산에 비해서는 낮았다. 도 6과 도 7은 납, 구리의 제거효율을 나타낸 것이며 카드뮴과 비슷한 경향을 나타내었다. 도 8과 도 9는 아연과 니켈의 제거효율을 나타낸 것이다. 아연과 니켈의 경우 다른 중금속보다 상대적으로 토양에 강하게 흡착되어 있어 평균 약 20-30%의 매우 낮은 제거효율을 나타내었다.
도 1은 본 발명의 방법에 따른 대표적인 중금속 정화과정에 대한 개념도이다.
도 2은 본 발명의 방법을 수행하기 위한 장치의 개략도이다.
도 3은 토양세척 전후 납의 존재형태 변화를 나타내는 그래프이다.
도 4는 토양세척 전후 카드뮴의 존재형태 변화를 나타내는 그래프이다.
도 5은 본 발명의 방법에 따른 카드뮴의 제거율을 나타내는 그래프이다.
도 6은 본 발명의 방법에 따른 납의 제거율을 나타내는 그래프이다.
도 7는 본 발명의 방법에 따른 구리의 제거율을 나타내는 그래프이다.
도 8은 본 발명의 방법에 따른 아연의 제거율을 나타내는 그래프이다.
도 9은 본 발명의 방법에 따른 니켈의 제거율을 나타내는 그래프이다.

Claims (4)

  1. 중금속으로 오염된 미세토양을 포함한 토양을 정화시키는 방법으로서,
    중금속으로 오염된 토양을 1차 선별한 후, 질산, 염산, 황산, 인산 및 이들의 혼합물로 이루어진 군으로부터 선택된 산; 수산화나트륨, 수산화칼륨, 수산화칼슘, 수산화마그네슘 및 이들의 혼합물로 이루어진 군으로부터 선택된 알칼리; 또는 아세트산, 시트릭산, 이디티에이 및 이들의 혼합물로 이루어진 군으로부터 선택된 유기산을 함유한 수용액 또는 물로 토양 세척법에 의해서 세척하여, 4단계 또는 5단계 형태로 존재하는 중금속을 3단계 이하의 형태로 변화시키면서 1단 내지 3단계 형태로 존재하는 중금속은 제거하는 단계;
    토양 세척법으로 처리된 토양을 입도분리하여 처리된 사질토양과 0.075 mm 이하의 정화되지 않은 미세토양으로 분리하는 단계;
    토양 세척법으로 정화되지 않은 분리된 미세토양을 양쪽 단부에 양극이 있는 양극실과 음극이 있는 음극실이 각각 구비되어 있는 용기에 넣는 단계;
    염화나트륨, 염화칼륨, 질산나트륨, 황산나트륨, 황산마그네슘, 수산화나트륨, 염화칼슘, 질산칼륨, 황산칼륨 및 이들의 혼합물로 이루어진 군으로부터 선택된 전해질이 함유된 용액을 음극실과 양극실에 공급하는 단계;
    오염된 미세토양의 pH 조절을 위해 질산, 염산, 황산, 인산 및 이들의 혼합물로 이루어진 군으로부터 선택된 강산; 수산화칼슘, 수산화나트륨, 탄산나트륨, 탄산칼륨, 수산화칼륨 및 이들의 혼합물로 이루어진 군으로부터 선택된 강염기; 또 는 아세트산, 구연산, 이디티에이 및 이들의 혼합물로 이루어진 군으로부터 선택된 유기산, 및 계면활성제를 전해질이 함유된 용액에 첨가하는 단계; 및
    전류밀도가 0.1 mA/cm2 내지 10 mA/cm2이거나 전압경사가 0.1 내지 10V/cm가 되도록 상기 전극에 전류를 공급하면서, 양극실에 공급된 세척액과 전해질이 미세토양을 통해서 음극실 전기장에 의해 이동되게 하는 단계를 포함하여, 중금속으로 오염된 미세토양을 포함한 토양을 정화시키는 방법.
  2. 제 1항에 있어서, 전해질이 MgSO4, NaOH, NaCl 또는 NaNO3인 방법.
  3. 제 1항 또는 제 2항에 있어서, 계면활성제가 음이온계면활성제인 방법.
  4. 제 3항에 있어서, 음이온계면활성제가 나트륨 도데실 설페이트(SDS: Sodium dodecyl sulfate), 나트륨 도데실 벤젠 설포네이트(SDBS: Sodium dodecyl benzene sulfonate) 및 이들의 혼합물로 이루어진 군으로부터 선택되며, 이들이 임계 마이셀 농도 이상의 수용액으로 사용되는 방법.
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